Экспедиция продлилась три года. Выйдя их Кяхты, землепроходцы сначала следовали через Монголию к Кукунору, а оттуда переместились по кольцевому маршруту к истокам Желтой реки и Янцзы. Затем участники похода пересекали пустыню Такла-Макан и через Тянь-Шань добрались до города Каракола.

Пржевальский регулярно вел метеорологические наблюдения, давал характеристику климата, определял высоты местности, описывал флору и фауну Китая, Тибета и Монголии.

В своем докладе путешественник сообщил об открытиях хребта Загадочного и целого ряда неизвестных ранее науке животных: дикого верблюда, лошади, позже получившей имя Пржевальского, тибетского медведя, а также других млекопитающих. Командой исследователей также собраны ботанические коллекции, включающие сотни не учтенных ранее растений.
Лекция натуралиста собрала аншлаг, а добытые во время путешествия сведения представляли огромную ценность и впоследствии легли в основу нескольких авторских книг: «Путешествия в Центральной Азии», «Монголия и страна тангутов» и других изданий.

Во время выступления в Думе состоялся сбор средств в поддержку проектов ученого. Всего было пожертвовано 587 рублей 61 копейка. Все деньги путешественник передал на строительство в Петербурге первой бесплатной городской читальни. Учреждение открылось через полтора года после доклада и пользовалось спросом у местного населения.